毫米波技術(shù)及應用課件

1、微波毫米波技術(shù)基本知識2004年3月提綱1 無線電頻段劃分2 射頻和微波傳輸線3 微波電路技術(shù)的發(fā)展歷程4 國外毫米波器件和系統(tǒng)應用一、無線電頻段劃分名稱長波中波短波超短波微波頻率15100kHz1001500kHz1.530MHz30300MHz300以上波長20km3km3km200m200m10m10m1m1m以下微波頻段劃分(UHF)名稱PLSCXKuK頻率225-390MHz0.39-1.55MHz1.55-3.9GHz3.9-6.9GHz6.9-12.4GHz12.4-18GHz18-26.5GHz波長133.2-76.9cm76.9-19.3cm19.3-7.69cm7.69-4

2、.35cm4.35-2.42cm2.42-1.67cm1.67-1.13cm毫米波頻段(EHF)名稱KaQUVEWFDG頻率GHz26.5-4033-5040-6050-7560-9075-11090-140-110-170140-220波長mm11.3-7.59.1-67.5-56-45-3.34-2.73.3-2.12.7-1.72.1-1.4大氣透明窗口：35GHz，95GHz，220GHz，140GHz，225GHz大氣吸收頻段：60GHz，120GHz, 185GHz常用稱射頻：1MHz-1GHz微波：1GHz-30GHz毫米波：30GHz-300GHz亞毫米波：300-3000GH

3、z(1000GHz=1THz)紅外：300-416000GHz(1000THz=1pHz)可見光：0.760.4m微波系統(tǒng)構(gòu)成 傳輸線及不連續(xù)性無源和有源器件(半導體或電真空) 微波部件微波模塊微波系統(tǒng)二、微波和毫米波傳輸線TEM傳輸線非色散傳輸線傳播速度等于填充媒質(zhì)中的光速，且不隨工作頻率而變。平行雙導線同軸線帶狀線微帶線柱面波導色散傳輸線傳播速度隨頻率而變。矩形波導，圓形波導橢圓形波導脊波導單脊和雙脊波導開波導表面波傳輸線特定的頻率和波型介質(zhì)棒波導，哥保線介質(zhì)鏡象線，光纖微波集成電路傳輸線帶狀線 ( stripoline )微帶線（Microstrip） 懸置帶線（suspended st

4、ripline）共面線（coplanar line） 微波集成電路傳輸線共面波導（coplanar wave guide） 鰭線（fin-line）： 單側(cè)鰭線（Uilateral finline）； 雙側(cè)鰭線（Bilateral finline）； 對極鰭線（Antipodal finline）鰭線（fin-line單側(cè)鰭線 雙側(cè)鰭線 對極鰭線毫米波集成傳輸線比較特性微帶懸置微帶鰭線槽線共面波導鏡像線Q 值較低較高高低較低較高單模帶寬寬寬窄較窄較窄較寬阻抗范圍寬寬窄較窄較寬寬過渡較易較易容易較難難尺寸重量小較大大較小較小小三、微波電路技術(shù)的發(fā)展歷程從分立電路平面微波集成電路多層和三維微波集成

5、電路到多芯片模塊。微波、毫米波子系統(tǒng)的集成化推進了整機系統(tǒng)面貌迅速更新。這不僅體現(xiàn)在設備體積重量按數(shù)量級減小，而且成本降低、可靠性提高，從而促進了微波和毫米波技術(shù)在軍事和民用領域廣泛應用。微波電路技術(shù)的發(fā)展歷程微波電路或系統(tǒng)的革新體現(xiàn)在元、器件物理結(jié)構(gòu)和電磁關(guān)系兩方面。這種革新來源于對電磁場理論的靈活運用和商用電磁仿真軟件的快速發(fā)展；其成功實現(xiàn)有賴于新材料、新工藝，特別是半導體和微加工技術(shù)的成就。微波和毫米波集成電路技術(shù)和工藝的不斷推陳出新集中體現(xiàn)了微波領域日新月異的技術(shù)進步。三維微波集成電路 (3DMIC)三維微波集成電路 (3DMIC)又稱多層微波電路 (Multilayer Microw

6、ave Circuits)包括:(1)多層微波集成電路 (MuMIC)(2)三維單片微波集成電路 (3DMMIC)兩種基本類型。(1)多層微波集成電路: 由分立的有源器件與多層集成無源元件、連接線構(gòu)成的集成電路。三維微波集成電路 (3DMIC)(2)三維單片微波集成電路: 在同一基片上將集成的有源器件、無源元件、連接線等用薄介質(zhì)層相隔而形成的多層緊湊的單片集成電路。 兩者有著相似的結(jié)構(gòu) ,將它們統(tǒng)稱為三維微波集成電路。 多芯片模塊(MCM)MCMMulti-Chip-Module是廣義的3DMICMCM由若干IC裸片互連在同一塊高密度多層布線基板上并封裝在同一管殼中形成的功能組件。MCM與傳統(tǒng)

7、平面混合集成電路比較，電性能提高一個數(shù)量級，體積重量降低一個數(shù)量級。 多芯片模塊(MCM)分類MCML：高密度PCB基板，L表示迭層印 制布線板MCMC：共燒陶瓷基板，C表示共燒陶瓷工藝 (包括HTCC和LTCC)； HTCCHigh Temperatue Cofired Ceramic LTCCLow Temperatue Cofired CeramicMCMD：采用其它新絕緣材料的薄膜布線基板，D表示電介質(zhì)淀積薄膜工藝；MCMSi：采用硅工藝的薄膜布線基板，層間絕緣膜是SiO2、Si；MCMC/D：在共燒陶瓷上形成薄膜布線的基板。 MCM的主要特點集芯片IC和無源元件于一體，避免了元器件級

8、組裝，簡化了系統(tǒng)級的組裝層次。高密度互連基板，導線和線間距細化（通常小于0.1mm）;高密度多層互連線短，布線密度高，布線密度每平方英寸250500根；能將數(shù)字電路、模擬電路、光電器件、微波器件合理組裝在一個封裝體內(nèi)，形成多功能組件、子系統(tǒng)和系統(tǒng)。 LTCCMCMLTCCMCMLTCC工藝流程LTCC實例LMDS發(fā)射模塊計算電磁學及其應用微波電路的小型化，特別是三維電路的發(fā)展不僅以先進的電路制造工藝為基礎，而且依賴計算電磁學和商用電磁仿真軟件的迅速發(fā)展。隨著射頻集成電路（RFIC）、單片集成電路（MMIC）和超大規(guī)模集成電路（VLSI）技術(shù)的迅速發(fā)展，低成本、高性能的高速數(shù)字、射頻、微波和毫米

9、波集成電路和系統(tǒng)的互連和封裝成為重要的理論和工藝技術(shù)課題。商用CAD軟件應運而生。 Ansoft公司 軟件 ：designer和HFFS計算電磁學及其應用隨著集成密度的增加和工作頻率的提高，設計者必須認真對待互連和封裝中的各種電磁效應問題，如電路間的互耦，寄生諧振，電磁干擾和電磁兼容性等問題。在電磁場與微波技術(shù)學科中，以電磁場理論為基礎，以高性能計算技術(shù)為手段，運用計算數(shù)學提供的各種方法，誕生了一門解決復雜電磁場理論和工程問題的應用科學計算電磁學(computational electromagnetics) 計算電磁學及其應用電磁場問題求解方法：解析法：建立和求解偏微分方程和積分方程。數(shù)值法

10、：直接以數(shù)值的、程序的形式代替解析形式。半解析數(shù)值法：將解析與數(shù)值法結(jié)合，人的理論分析與計算機數(shù)值解結(jié)合。計算電磁學的幾種重要方法計算電磁學的幾鐘重要方法：有限元法FEM (Finite Element Method)時域有限差分法FDTD (Finite Differencen Time Domain method)矩量法MoM(Method of Moments)引入新概念和新方法計算電磁學和商用仿真軟件的發(fā)展為實現(xiàn)新電路方法提供了條件。光子帶隙(Photonic Band Gap PBG)在微波領域的應用是突出代表。PBG概念 PBG是一種介質(zhì)在另一種介質(zhì)中周期排列所組成的周期結(jié)構(gòu);光子

11、在這類材料中的作用類似于電子在凝聚態(tài)物質(zhì)中的作用，存在著類似于半導體能帶結(jié)構(gòu)中的禁帶。 電磁波在具有周期結(jié)構(gòu)的介質(zhì)材料中傳播時，會受到調(diào)制，形成能帶結(jié)構(gòu)，能帶結(jié)構(gòu)之間可能出現(xiàn)帶隙。 微波領域的光子帶隙也稱電磁帶隙 EBGPGG特性當電磁波的工作頻率落在帶隙中時，由于帶隙中沒有任何傳輸態(tài)存在，因而任何方向的入射波都會發(fā)生全反射，因而具有帶阻特性。光子帶隙結(jié)構(gòu)不僅改變傳輸線特性阻抗，同時改變傳播常數(shù)。PGG構(gòu)成： PBG可采用金屬、介質(zhì)、鐵磁或鐵電物質(zhì)植入襯底材料，或直接由襯底材料周期性形狀排列而成。目前國內(nèi)外所提出的PBG結(jié)構(gòu)： 在介質(zhì)基板上鉆孔； 在襯底中填充其他介質(zhì)或金屬； 在微帶電路底板上

12、刻蝕光子晶體結(jié)構(gòu)； 在微帶電路表面冗余部分形成PBG； 在微帶線上刻蝕諧振單元。PBG應用： 寬帶帶阻濾波器，抑制諧波； 高Q微帶諧振器； 小型匹配網(wǎng)絡，改善放大器性能； 單向輻射微帶天線，提高效率； 頻率選擇表面； 延時線； 無源網(wǎng)絡：混合環(huán)、正向耦合器； 改善微帶天線性能 。 微帶線中的光子帶隙結(jié)構(gòu)在微帶接地面上腐蝕一個或少量的孔，稱為有缺陷的接地結(jié)構(gòu)(DGSdefected Ground Structure)，或譯為非理想接地板結(jié)構(gòu)。 可以說，DGS是PBG的一種特例。四、國外毫米波器件和系統(tǒng)應用現(xiàn)代武器裝備的需求促進了毫米波技術(shù)的發(fā)展，毫米波技術(shù)發(fā)展的需要又帶動了半導體和微電子電路技術(shù)

13、和工藝的進步，使毫米波技術(shù)成為當今一門知識密集的綜合性技術(shù)學科，國外毫米波設備快速發(fā)展，每年以30%-40%的速度增長，成為軍事電子領域的“ 朝陽”產(chǎn)業(yè)。 毫米波器件電真空器件 行波管 反波管速調(diào)管磁控管回旋管自由電子激光管毫米波器件半導體器件兩端器件：雪崩二極管Impatt耿氏管或體效驗管Gunn，TED混頻、檢波二極管，變?nèi)荻O管，隧道二極管三端器件：雙極管BJT場效應管FET異質(zhì)結(jié)雙極管HBT高速電子遷移三極管HEMT膺配高速電子遷移三極管PHEMT毫米波固態(tài)器件水平80年代以來，毫米波技術(shù)的迅速發(fā)展得益于固態(tài)器件的進步；毫米波軍事需求促進了毫米波發(fā)展。70年代GaAs肖特基二極管的出現(xiàn)

14、是毫米波器件的重大突破：已用于亞毫米波上下混頻和倍頻。三端器件的發(fā)展迅速：BJT，F(xiàn)ET，HEMT，HBTHEMT比FET有更好的頻率特性，更高的效率，更低的噪聲，94GHz的噪聲系數(shù)1.4dB。PHEMT有更高的功率，成為毫米波功率器件的主流。HBT效率高，1/f相噪低, InP基HBT振蕩管工作頻率已達138GHz。毫米波MMIC 82年第一只Ka 波段MMIC二極管混頻器問世以來，MMIC品種迅速增多，性能改善，工作頻率提高：美國TRW和Hughes公司InP基MMIC工作頻率已超過250GHHz。TRW公司InP HEMT 功率MMIC： 60GHz, 1W, PAE=20%, 60G

15、Hz，3.8W, 31dB，8個模塊合成 95GHz, 480mW, PAE=20% TRW公司InP HEMT低噪聲MMIC： 170200GHz, G=15dB, Nf=4.8dB毫米波低噪聲放大器MMIC毫米波低噪聲放大器MMIC（芯片）產(chǎn)品性能頻率(GHz)26-4026-4036-4055-60噪聲系數(shù)(dB) 2.5 2.52.53.5增益(dB) 13 171810廠家UMSSandersFujitsuUMS毫米波功率放大器MMIC毫米波功率放大器MMIC（芯片）產(chǎn)品性能頻率(GHz)33-3629-3337-4055-60增益(dB) 17 11 1012P1dB(dBm) 3

16、1 32.6 3215廠家TriquitSandersSandersUMS毫米波多功能MMIC英國DERA的43.5-45.5GHz MMIC接收前端包括低噪聲放大、混頻、本振，尺寸3.03.8mm, Nf=4.3dB，G=5-8dB美國Northgrop Grumman 公司MMIC W波段發(fā)射組件包括：Ku波段二倍頻器、Ka-W 三倍頻器。W波段放大器和功率合成器，輸出功率1W，體積21.3cm3美國TRW公司的Ka波段收發(fā)組件頻率17.5-35GHz：包括低噪聲放大、濾波器、混頻、二倍頻、雙極化開關(guān)、功放，Nf=1.9dB，輸出功率30W。美國TRW公司的60GHz固態(tài)功放模塊：30W，

17、60dB，272元橋路加空間功率合成。微加工技術(shù)和微機電系統(tǒng)(MEMS)微加工(Micromachining)技術(shù)是通過MMIC工藝,微量（m量級）加工半導體(Si,GaAs等)晶片、介質(zhì)乃至金屬結(jié)構(gòu)以改進電路性能，提高集成度;微加工方法可制作三維結(jié)構(gòu)，在低損耗傳輸線和諧振器、可調(diào)的集中參數(shù)電感和低損耗微波與毫米波濾波器中得到應用。制作微波高波段或毫米波低損耗線和屏蔽膜片微帶(SMM-Shielded-Membrane-Microstrip) SMM的介質(zhì)損耗和輻射損耗低。微加工技術(shù)和微機電系統(tǒng)(MEMS) 微電子技術(shù)的巨大成功在許多領域引發(fā)了一場微小型化革命，以加工微米 /納米結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)為目

18、的的微米 /納米技術(shù)（Micro/nanoTechnology）在此背景下應運而生。一方面人們利用物理化學方法將原子和分子組裝起來，形成具有一定功能的微米/納米結(jié)構(gòu)；另一方面人們利用精細加工手段加工出微米/納米級結(jié)構(gòu)。前者導致了納米生物學、納米化學等邊緣學科的產(chǎn)生，后者則在小型機械制造領域開始了一場新的革命，產(chǎn)生了微加工(Micromachining)技術(shù)，從而導致了微機電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical-Systems）的誕生。微機電系統(tǒng)(MEMS) 微機電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical-SystemsMEMS) 是集成電路工藝與精密機械加工相結(jié)

19、合的新興技術(shù)，利用靜電場、磁場使微米至毫米量級的微型結(jié)構(gòu)完成吸動、移動和轉(zhuǎn)動的技術(shù)。 從廣義上講，MEMS是指集微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號處理和控制電路、接口電路、通信和電源于一體的完整微型機電系統(tǒng)，它本身就是一種多層結(jié)構(gòu)。 微機電系統(tǒng)(MEMS)近幾年MEMS已應用于微波和毫米波系統(tǒng)中，實現(xiàn)多種形式低損耗開關(guān)、阻抗調(diào)配、多種可調(diào)器件（如濾波器）乃至可變型天線。 MEMS代表了集成電路技術(shù)中一項新的革命。國際上稱利用MEMS技術(shù)制作的微型RF部件為 RF- MEMS。RF- MEMS具有所需功耗低，Q值高等優(yōu)點。MEMS可用在微波和毫米波段作為開關(guān)元件，用以組成復雜的功能器件。Si和SiG

20、e襯底的元件和集成電路 在當今全球超過2500億美元的半導體市場中，90 %以上的產(chǎn)品都是使用硅材料的集成電路。相對其它半導體材料而言，硅具有廉價豐富、易于生長大尺寸、高純度的晶體及熱性能與機械性能優(yōu)良等優(yōu)點。然而幾十年來微波集成電路一直使用價值昂貴的Ga As或 In P作襯底材料。原因：硅BJT和MOSFET的工作頻率太低；常用硅的電阻率太小 (1-100cm)。 Si和SiGe襯底的元件和集成電路最近幾年，隨著頻率高達100GHz的硅二極管的研制成功，在Si器件中加入Ge材料，實現(xiàn)了微波性能優(yōu)良的HBT(異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管)，使基于Si的有源電路可工作至60GHz以上。這些器件的制作工藝

21、與標準Si工藝相兼容。尤為重要的是,Si的使用降低了MMIC的成本。Si基技術(shù)的發(fā)展證明了在微波頻段甚至毫米波段Si完全能取代GaAs或InP用作集成電路的襯底。 毫米波系統(tǒng)毫米波雷達毫米波雷達的應用主要集中在滿足以下幾個方面的需求：進行高精度、高分辨測量，精確制導和目標指示；獲得寬帶信號與增大回波信號多普勒帶寬；獲得高天線增益，獲得高雷達能量（發(fā)射機平均功率，發(fā)射天線增益和接收天線口徑的乘積）；獲得精細的距離多普勒圖像和目標識別； 測量復雜目標的結(jié)構(gòu)； 改善雷達的抗干擾能力；毫米波雷達 觀測小尺寸目標； 空間雷達，例如空間飛行器交匯雷達； 受體積、重量嚴格限制的平臺上的雷達， 例如：安裝在坦

22、克、導彈、飛機，特別是直升機和無人機等上的雷達，例如導彈上的尋的頭、機載地形跟隨、地形回避等； 低角跟蹤、測高、抑制多徑干擾； 窄波束、定向詢問戰(zhàn)場敵我識別； 毫米波無源探測。毫米波雷達搜索和目標截獲, 火控和跟蹤，精確制導，測試美國Lockheed Martin 公司Startle坦克用搜索和跟蹤雷達 : 95GHz, 4W, 3km。美國Norden公司小型RPV監(jiān)視雷達，95GHz, 2kW, 3km。英國Searcherz 94GHz，裝載巡邏艇上監(jiān)視海上目標德國KORA雷達，94GHz，戰(zhàn)場偵察和地物測繪 美國TRAKX雙頻段跟蹤雷達雷達：Ka和X波段毫米波雷達(續(xù))美國Seatra

23、cks艦載火控雷達，Ka波段。美國M109坦克載高分辨率快速掃描雷達：70GHz, 500W。英國宇航局94GHz機載雷達用于地面目標偵察與識別。美國麻省林肯實驗室IRAR機載高分辨率多傳感器系統(tǒng)包括毫米波雷達(85.3GHz)、CO2激光和GaAs激光。毫米波雷達(續(xù))美國佐治亞理工學院HIPCOR95高功率相參雷達：95GHz, 1kW，用于目標特性測量，為研制毫米波偵察、監(jiān)視和目標探測設備提供技術(shù)支持。美國佐治亞理工學院HIRES95雷達目標三維成象雷達，95GHz，用于測量近距離(60m-180m)目標反射的極化散射矩陣。毫米波雷達(續(xù))直升機載防撞和多功能雷達：美國阿帕奇武裝直升機載

24、AN/APG78型 Ka波段長弓雷達：有源相控陣，對運動目標8km，對靜止目標 6km。美國MARCEL DASSAULT公司SAIGA雷達：35GHz，對90kV電力線探測距離1.5km。法國Thomson公司ROMEO防撞雷達：94GHz，F(xiàn)WCW，1W，高壓線500。德國AEGTelefunken公司直升機防撞雷達：59.1GHz，脈沖功率3W，2.4mm導線200m。毫米波有源相控陣毫米波有源相控陣美國Lockheed Martin公司二維有源相控陣： 發(fā)射頻率：60GHz，30元(56)，波束寬度18，尺寸49mm13mm。 接收頻率：20GHz,128元(96個有源，32個無源)，

25、低噪聲放大，3位數(shù)字移相，波束寬10，尺寸71 116.8mm。日本三菱公司通信實驗室Ka波段有源相控陣： 發(fā)射頻率：28.05GHz，帶寬4 ,口徑2.2m 接收頻率：18.25GHz，帶寬5 ,口徑1.5m 由38個子陣構(gòu)成，每個子陣64元。毫米波制導毫米波制導是毫米波技術(shù)的重要應用領域。毫米波介于微波和紅外波段之間，它避免了光電制導系統(tǒng)全天候作戰(zhàn)能力差的弱點，同時具有較高的制導精度和抗干擾性能，而且體積小、重量輕。但工藝技術(shù)難度較大，成本較高。近年來毫米波元器件，特別是固體器件的迅速發(fā)展，使毫米波制導系統(tǒng)開發(fā)和應用出現(xiàn)高速發(fā)展的勢頭，成為軍事電子領域的熱點。 毫米波制導毫米波導引頭的任務

26、是從復雜的雜波和干擾背景中檢測出目標反射或輻射的信號，提取制導信息并形成控制指令。 毫米波制導方式可分為主動、半主動和被動。主動制導就是用雷達跟蹤目標 ；半主動制導實際上是雙站雷達尋的系統(tǒng)，由大功率照射雷達與彈上末制導接收機和跟蹤器組成。照射的信號經(jīng)目標反射，被彈上末制導接收并跟蹤目標 。毫米波制導被動制導也稱無源制導，有兩種：一是利用目標的自然輻射與背景輻射之差從背景中檢測目標，這種系統(tǒng)常稱為輻射計；二是反輻射導引頭。在主動或半主動導引頭近距離跟蹤目標時，由于角閃爍可能導致丟失目標，對此，可采用寬帶和捷變頻技術(shù)，也可主動與被動復合制導，在近距離（例如200m300m）轉(zhuǎn)為被動制導。毫米波制導

27、反坦克導彈美國黃蜂”(WASP) 導彈,美國“ 幼畜”(Maverick) AGM-65H導彈, 美國“ 海爾法”(Hellfire) 導彈（意譯為“ 地獄火”） ,俄羅斯直升機米28上裝的AS8導彈,俄羅斯的改進型“ 螺旋”(Spiral) AT-6導彈,毫米波制導防空導彈 愛國者導彈（PAC） PAC1,PAC2,PAC3美陸軍于99年在白沙靶場進行了PAC-3尋的頭攔截試驗。愛國者導彈PAC-3已列入TMD系統(tǒng)，正向亞洲擴充，欲將日、韓及臺灣納入該系統(tǒng)。毫米波制導的靈巧彈藥靈巧彈藥（Smart munitions），又稱自導彈藥（Self-guided munitions），國外也稱為智

28、能彈藥。 實際上這是一種小型自主制導式導彈、炸彈和炮彈。靈巧彈藥對體積重量功耗以及戰(zhàn)場惡劣環(huán)境中工作等方面的要求，使毫米波集成技術(shù)成為其優(yōu)選制導技術(shù)，由于其作用距離一般較近（典型值3 km左右），可采用固態(tài)源。靈巧彈藥和末敏彈末敏彈（terminal sensing munitions）和末制導炮彈將兩者結(jié)合，大大提高了火炮的威力。美國BAT靈巧反坦克彈藥 英國“ 梅林”(Merlin)末制導炮彈（意譯為“ 灰背隼”）英、法、瑞士、意大利聯(lián)合研制末制導迫擊炮彈“ 鷹獅”(Griffen)“ 薩達姆”(SADARM)末敏彈 德國“ 斯瑪特”(SMART) 自動瞄準子母彈北約MLRS多管火箭發(fā)射系統(tǒng)反輻射導彈反輻射導彈（ARM）（Anti-Radiation Missile）:是一種集偵察、抗干擾、摧毀于一體的電子硬殺傷性武器，它采用導引頭截獲、跟蹤目標雷達輻射的電磁波，并引導導彈命中和摧毀敵方雷達或其它電磁波輻射源。AGM-88 HARM（高速反輻射導彈）91年沙漠風暴行動中，多國部隊主要利用HARM攻擊和壓制伊拉克防空雷達。99年5月美國及其北約盟國使用了1000多枚HARM導彈。毫米波系統(tǒng)毫米波通信未來通信的目標是實現(xiàn)全球范圍內(nèi)的的個人通信。